TW201408122A - 具抑制ｌｅｄ過電流之驅動電路結構 - Google Patents

具抑制ｌｅｄ過電流之驅動電路結構 Download PDF

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Abstract

本發明為一種具抑制LED過電流之驅動電路結構，其包括一DC-DC轉換器，一電壓偵測器，一參考電壓模組，一誤差放大器，一比較器，及一SR栓鎖器。本發明係利用多階段式切換LED驅動電流以控制DC-DC轉換器對LED之供應電壓及電流，來有效抑制LED過電流現象，進而延長LED於調光或閃爍操作時之使用壽命，另一方面亦可增加驅動電路中PWM之控制頻率範圍，增加對LED調光的有效區間。藉由本發明的實施可延長LED之使用壽命，並增加LED的調光範圍，達到更完美的發光及照明效果。

Description

具抑制LED過電流之驅動電路結構
本發明為一種具抑制LED過電流之驅動電路結構，特別為一種具多階段式切換LED驅動電流之具抑制LED過電流之驅動電路結構。
採用LED作為照明、顯示以及背光應用時，具有使用壽命長、演色性佳、環保、調光比高等多項優點，其中較長之使用壽命除可延長產品使用壽命進而降低材料成本外，亦可降低檢測、維修與替換等人力成本。
然而，LED之發展雖有使用壽命長之優點，且在照明、顯示以及背光應用上逐漸成為主要的使用光源；LED之壽命，實際上與其操作方式卻息息相關，過電流驅動會大幅縮短LED的使用壽命，目前可見之LED驅動電路及驅動IC在以PWM(pulse width modulation)控制的調光操作時皆存在有過電流或是PWM頻率受限的問題，因為LED過電流而減少LED的使用壽命，及因為PWM頻率受限而產生調光範圍過小的問題亦無法同時獲得改善。
如第1圖所示，為傳統升壓型LED驅動電路之基本電路型態，其電壓源VIN係透過一DC-DC轉換器供應一個電流ILED至一個LED模組，再利用一個串連的電流感測器來控制DC-DC轉換器決定ILED的大小，其中電感為DC-DC轉換器中不可或缺的元件，但是因為電感具有電流連續的特性，當電流感測器 偵測到LED電流滿足設定值而且將該訊息傳給DC-DC轉換器開始限定其電流供應值時，電感必須先將其儲存的電能全部釋放，此一電能之釋放便產生一個高值的電流突波，造成習知的LED驅動電路在啟動時就會有過電流的現象發生。
若能在LED驅動電路中增加一個控制電路機制，藉由判斷參考電壓獲得即時LED電流並在電路啟動時與PWM操作時先切換不同的參考電壓來抑制LED過電流現象，則前述之LED使用壽命減少及調光範圍過小的問題必能同時獲得有效改善，而且此控制電路機制亦將成為本階段LED照明技術發展之重點。
本發明為一種具抑制LED過電流之驅動電路結構，其包括一DC-DC轉換器，一電壓偵測器，一參考電壓模組，一誤差放大器，一比較器，及一SR栓鎖器。藉由本發明的實施可延長LED之使用壽命，並增加LED的調光範圍，達到更完美的發光及照明效果。
為達上述功效，本發明提供一種具抑制LED過電流之驅動電路結構，其包括：一DC-DC轉換器，用以提供一組LED之驅動電源；一參考電壓模組，其係用以提供至少一前置參考電壓及一設計參考電壓；一電壓偵測器，其係與該組LED串聯；一誤差放大器；一比較器；及一SR栓鎖器。並利用多階段式切換LED驅動電流以控制DC-DC轉換器對LED之供 應電壓及電流，來有效抑制LED過電流現象，進而延長LED於調光或閃爍操作時之使用壽命，另一方面亦可增加驅動電路中PWM之控制頻率範圍，增加對LED調光的有效區間。
為達上述功效，本發明又提供一種LED過電流之抑制方法，其包括下列步驟：提供至少一前置驅動電流至一LED模組，其最先提供之前置驅動電流為一第一驅動電流，且第一驅動電流係小於LED模組之設計驅動電流；以及提供一第二驅動電流至LED模組，第二驅動電流係為LED模組之設計驅動電流。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、延長LED之使用壽命。
二、增加LED的調光範圍。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第1圖係為習知之LED驅動電路圖。第2圖係為本發明實施例之一種具抑制LED過電流之驅動電路結構實施例圖。第3圖係為習知之一種驅動電路電壓及電流波形圖。第4圖係為習知之另一種驅動電路電壓及電流波形圖。第5圖係為本發明實施例之一種具抑制LED過電流之驅動電路電壓及電流波形實施例圖。第6圖係為第5圖之電流波 形局部放大實施例圖。第7圖係為為本發明實施例之一種LED過電流之抑制方法步驟圖。
如第2圖所示，為本發明之一種具抑制LED過電流之驅動電路結構200，其包括：一DC-DC轉換器10、一電壓偵測器20、一參考電壓模組30、一誤差放大器40、一比較器50、及一SR栓鎖器60。
DC-DC轉換器10，係為一直流至直流之電壓轉換器，DC-DC轉換器10自電壓輸入端11輸入一外部直流電源VS，並由控制信號輸入端13輸入之信號控制而自電壓輸出端12輸出一輸出電壓VOUT提供一LED電流ILED至LED模組以點亮LED。
DC-DC轉換器10中又包括有一電感L1，且一電感電流IL流經電感L1，電感電流IL之設計最大值為LLMT；一MOSFET開關MSW；一穩壓二極體DZ，用以穩定DC-DC轉換器10之輸出電壓VOUT；由控制信號輸入端13輸入之PWM信號藉由MOSFET開關MSW控制DC-DC轉換器10得到一組切換電壓VSW，經由切換電壓VSW可觀察DC-DC轉換器10中PWM信號的佔空比(duty cycle)。
電壓偵測器20，其係與LED模組串聯使LED電流ILED亦流經電壓偵測器20，電壓偵測器20並經由LED電流ILED獲得一偵測電壓VFB提供至誤差放大器40使用。
參考電壓模組30，其係用以提供至少一前置參考電壓及一設計參考電壓，並具有一參考電壓輸出端31，參考電壓模組30係自參考電壓輸出端31輸出前置參考電壓及設計參考電 壓，其中參考電壓模組30輸出之第一個前置參考電壓係小於設計參考電壓。所謂設計參考電壓係為，以此電壓控制DC-DC轉換器10之輸出電壓VOUT時，流經LED模組之LED電流ILED為一預設之設計驅動電流。
誤差放大器40，其具有一第一輸入端41、一第二輸入端42及一第一輸出端43，其第一輸入端41電性連接於電壓偵測器20之輸出端以獲得偵測電壓VFB，第二輸入端42則電性連接於參考電壓輸出端31，誤差放大器40係對第一輸入端41及第二輸入端42之電壓做比較，並將一比較結果自第一輸出端43做輸出。
比較器50，其具有一第三輸入端51、一第四輸入端52及一第二輸出端53，第三輸入端51電性連接於第一輸出端43，第四輸入端52電性連接於一鋸齒波源，比較器50由第三輸入端51輸入之比較結果來控制第四輸入端52輸入之鋸齒波自第二輸出端53做輸出，亦即為一PWM信號之控制。
SR栓鎖器60，其具有一第五輸入端61、一第六輸入端62及一第三輸出端63，第五輸入端61用以輸入一時脈訊號，第六輸入端62電性連接於第二輸出端53，且時脈訊號用以決定是否自第三輸出端63送出第六輸入端62輸入之訊號至DC-DC轉換器10之控制信號輸入端13，如此便能經由SR栓鎖器60之控制確保一個週期(clock cycle)只會觸發一次PWM信號，而不致產生誤動作。
如第3圖及第4圖所示，為習知之一種驅動電路之電壓及電流波形，其中DC-DC轉換器10之輸出電壓VOUT係可提供一 LED電流ILED至LED模組以點亮LED，一電感電流IL流經DC-DC轉換器10中之電感L1，電感電流IL之設計最大值為LLMT，切換電壓VSW為PWM信號藉由MSW控制DC-DC轉換器10得到之電壓。
由第3圖所示，習知驅動電路產生之第一個問題為，流至LED模組以點亮LED之LED電流ILED其到達設計驅動電流之時間延遲過長，達到7ms(millisecond)，佔用了一個時脈週期之太多時間(120Hz時，時脈週期約8ms)，PWM之控制頻率範圍便因而縮小許多，大大降低對LED調光的有效控制區間。
由第4圖所示，習知驅動電路產生之另一個問題為，在啟動之瞬間產生出一個大約為設計驅動電流4倍之過電流突波(本實施例之設計驅動電流為20mA)(mA=milli-ampere)，此過電流突波會大幅降低LED模組中所有LED之使用壽命。
如第5圖所示，為本發明實施例之一種具抑制LED過電流之驅動電路電壓及電流波形實施例圖，在本實施例中參考電壓模組30使用一前置參考電壓及一設計參考電壓，並且前置參考電壓係小於設計參考電壓。
如第5圖所示之實施例，首先由前置參考電壓控制DC-DC轉換器10之輸出電壓VOUT以限制流至LED模組之LED電流ILED，雖然在啟動時亦產生突波，但突波電流之大小已經抑制到不大於設計驅動電流，使LED不因大突波電流之影響而減少使用壽命；接著在避過此一突波瞬間之後，參考電壓模組30切換輸出至設計參考電壓，使LED電流ILED維持在穩定之設計驅動電流以穩定點亮LED。
再者，如第5圖所示，因為抑制電流使用之時間大幅縮短為200us(micro second)，僅佔用一個時脈週期極小部份的時間(120Hz時，時脈週期約8ms)，PWM之控制頻率範圍便因此增加許多，進而增加了PWM對LED調光的有效控制區間。
如第6圖所示，係為本發明實施例之具抑制LED過電流之驅動電路200之電流局部波形實施例，如第6圖中所示之LED電流ILED波形可知，本發明實施例之具抑制LED過電流之驅動電路200經由一小於設計參考電壓之前置參考電壓先將前置驅動電流限定在10mA(小於20mA)所達成功效已有效抑制啟動瞬間之突波電流，達到保護LED不受過電流影響而不致減少LED之使用壽命。
又如第7圖所示，為本發明之一種LED過電流之抑制方法(S100)步驟圖，其包括：提供至少一前置驅動電流(步驟S10)至一LED模組，其最先提供之前置驅動電流為一第一驅動電流，且第一驅動電流係小於LED模組之設計驅動電流；以及提供一第二驅動電流(步驟S20)至LED模組，第二驅動電流係為LED模組之設計驅動電流。
第7圖所示之本發明之一種LED過電流之抑制方法(S100)，係藉由提供LED模組至少2階段之驅動電流以達到LED驅動電流之過電流抑制，且不論採用多少階段，其第1階段使用之第一驅動電流皆設定在小於LED模組之設計驅動電流來有效大幅降低啟動瞬間產生的電流突波。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等 效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
100‧‧‧習知之LED驅動電路
200‧‧‧具抑制LED過電流之驅動電路結構
10‧‧‧DC-DC轉換器
11‧‧‧電壓輸入端
12‧‧‧電壓輸出端
13‧‧‧控制信號輸入端
20‧‧‧電壓偵測器
30‧‧‧參考電壓模組
31‧‧‧參考電壓輸出端
40‧‧‧誤差放大器
41‧‧‧第一輸入端
42‧‧‧第二輸入端
43‧‧‧第一輸出端
50‧‧‧比較器
51‧‧‧第三輸入端
52‧‧‧第四輸入端
53‧‧‧第二輸出端
60‧‧‧SR栓鎖器
61‧‧‧第五輸入端
62‧‧‧第六輸入端
63‧‧‧第三輸出端
L1‧‧‧電感
IL‧‧‧電感電流
ILMT‧‧‧IL設計最大值
DZ‧‧‧穩壓二極體
MSW‧‧‧MOSFET開關
VSW‧‧‧切換電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
ILED‧‧‧LED電流
VFB‧‧‧偵測電壓
S100‧‧‧LED過電流之抑制方法
S10‧‧‧提供至少一前置驅動電流
S20‧‧‧提供一第二驅動電流
第1圖係為習知之LED驅動電路圖。
第2圖係為本發明實施例之一種具抑制LED過電流之驅動電路結構實施例圖。
第3圖係為習知之一種驅動電路電壓及電流波形圖。
第4圖係為習知之一種驅動電路電壓及電流波形圖。
第5圖係為本發明實施例之一種具抑制LED過電流之驅動電路電壓及電流波形實施例圖。
第6圖係為第5圖之電流波形局部放大實施例圖。
第7圖係為為本發明實施例之一種LED過電流之抑制方法步驟圖。
200‧‧‧具抑制LED過電流之驅動電路結構
10‧‧‧DC-DC轉換器
11‧‧‧電壓輸入端
12‧‧‧電壓輸出端
13‧‧‧控制信號輸入端
20‧‧‧電壓偵測器
30‧‧‧參考電壓模組
31‧‧‧參考電壓輸出端
40‧‧‧誤差放大器
41‧‧‧第一輸入端
42‧‧‧第二輸入端
43‧‧‧第一輸出端
50‧‧‧比較器
51‧‧‧第三輸入端
52‧‧‧第四輸入端
53‧‧‧第二輸出端
60‧‧‧SR栓鎖器
61‧‧‧第五輸入端
62‧‧‧第六輸入端
63‧‧‧第三輸出端
L1‧‧‧電感
DZ‧‧‧穩壓二極體
MSW‧‧‧MOSFET開關
VOUT‧‧‧輸出電壓
ILED‧‧‧LED電流
VFB‧‧‧偵測電壓

Claims (5)

  1. 一種具抑制LED過電流之驅動電路結構，其包括：一DC-DC轉換器，用以提供一LED模組之驅動電源，其具有一電壓輸入端、一電壓輸出端、及一控制信號輸入端；一電壓偵測器，其係與LED模組串聯；一參考電壓模組，其係用以提供至少一前置參考電壓及一設計參考電壓，並具有一參考電壓輸出端；一誤差放大器，其具有一第一輸入端、一第二輸入端及一第一輸出端，該第一輸入端電性連接於該電壓偵測器之輸出端，該第二輸入端電性連接於該參考電壓輸出端；一比較器，其具有一第三輸入端、一第四輸入端及一第二輸出端，該第三輸入端電性連接於該第一輸出端，該第四輸入端電性連接於一鋸齒波源；一SR栓鎖器，其具有一第五輸入端、一第六輸入端及一第三輸出端，該第五輸入端用以輸入一時脈訊號，該第六輸入端電性連接於該第二輸出端，且該時脈訊號用以決定是否送出該第六輸入端之訊號至該DC-DC轉換器之控制信號輸入端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路結構，其中該參考電壓模組係自該參考電壓輸出端輸出該些前置參考電 壓及該設計參考電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路結構，其中該參考電壓模組輸出之第一個前置參考電壓係小於該設計參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路結構，其中該比較器為一PWM控制器。
  5. 一種LED過電流之抑制方法，其包括：提供至少一前置驅動電流至一LED模組，其最先提供之該前置驅動電流為一第一驅動電流，且該第一驅動電流係小於該LED模組之設計驅動電流；以及提供一第二驅動電流至該LED模組，該第二驅動電流係為該LED模組之設計驅動電流。
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